精彩日全食背后的科學(xué)

2024.4.8 北美日全食期間的日面與日珥 (Credit: Sumeet Kulkarni/Nature)

2024年4月8日（北京時(shí)間4月9日凌晨），“天狗食日”的天文奇觀在全球上演！美國(guó)、墨西哥和加拿大等北美國(guó)家的多個(gè)城市都能陸續(xù)觀測(cè)到日全食。今年的日全食僅此一次，其震撼人心的景觀無(wú)疑為我們帶來(lái)了一場(chǎng)宇宙級(jí)的視覺(jué)盛宴！

2024年4月8日拍攝到的日全食照片（圖片源自NASA）

1、什么是日食？

“天狗食日”的說(shuō)法源于中國(guó)的古老傳說(shuō)，它描述了天空中出現(xiàn)的一種奇異現(xiàn)象——日全食。在古代，當(dāng)日全食發(fā)生時(shí)，太陽(yáng)逐漸被遮擋，天空逐漸暗淡，最終陷入一片黑暗?！渡袝は臅へ氛髌分斜阌羞@樣的記載：“乃季秋月朔，辰弗集于房，瞽奏鼓，嗇夫馳，庶人走?！边@段文字生動(dòng)地描繪了當(dāng)時(shí)人們面對(duì)日食的恐慌場(chǎng)景：樂(lè)官擊鼓試圖嚇走傳說(shuō)中的天狗，百姓們慌亂地四處奔散。

隨著自然科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，日食其實(shí)是一種正常的天文現(xiàn)象。當(dāng)月球運(yùn)動(dòng)到太陽(yáng)和地球中間時(shí)，月球擋住了太陽(yáng)射向地球的光。從地球上望去，太陽(yáng)會(huì)顯得不完整，甚至完全被遮擋，天空就因此變得昏暗，但這個(gè)過(guò)程一般只會(huì)持續(xù)幾分鐘。

2024年4月8日日全食過(guò)程合成圖片（圖片源自NASA）

2、日食的成因及分類

根據(jù)幾何光學(xué)的相關(guān)性質(zhì)，光線在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。結(jié)合生活常識(shí)，如果有一個(gè)物體擋住了由光源發(fā)出的光線，而光線只能直線傳播無(wú)法繞開物體，物體背面那側(cè)就會(huì)形成陰影，也就是我們常說(shuō)的影子。從陰影中朝著光源方向看去，就會(huì)發(fā)現(xiàn)光源被物體遮擋。同理，當(dāng)月球運(yùn)動(dòng)到太陽(yáng)和地球中間，在地球上位于月球影子中的人們無(wú)法看到完整的太陽(yáng)，這就是所謂的日食現(xiàn)象。

眾所周知，地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，月球繞著地球轉(zhuǎn)。地球的公轉(zhuǎn)周期為一年，月球的公轉(zhuǎn)周期約為一個(gè)月。月球的每一次公轉(zhuǎn)都應(yīng)該會(huì)運(yùn)動(dòng)到太陽(yáng)和地球之間，那為什么不是每個(gè)月都會(huì)發(fā)生日食呢？從圖3示意圖中我們可以看到，地球公轉(zhuǎn)所在的平面（即黃道面）與月球公轉(zhuǎn)的平面（即白道面）并不是重合的，而是存在約為5°的夾角。這個(gè)夾角的存在使得日食的出現(xiàn)更加苛刻，只有當(dāng)月球運(yùn)動(dòng)到其軌道與黃道面的交點(diǎn)，且這個(gè)交點(diǎn)要恰好在日地連線上時(shí)才會(huì)出現(xiàn)日食。

圖3 黃道面和白道面示意圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

日食根據(jù)其形態(tài)可以分為日偏食、日環(huán)食和日全食。要想解釋為什么有這些不同的形態(tài)，我們需要從日食的原理出發(fā)。

太陽(yáng)是一個(gè)巨大的發(fā)光球體，因此我們不能把太陽(yáng)簡(jiǎn)單地看成一個(gè)點(diǎn)光源，但我們可以把它看成無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)光源的集合。如圖4中所示，可以先選取太陽(yáng)最上方的一個(gè)點(diǎn)光源，再做該點(diǎn)光源與月球的兩條切線。這個(gè)點(diǎn)光源朝著月球方向發(fā)出的所有光線都在這兩條切線之間。而在這片區(qū)域中介于地球和月球之間的那部分，會(huì)因?yàn)樵虑驅(qū)饩€的阻擋而變成陰影。如果觀察者位于地球上的這個(gè)陰影區(qū)域內(nèi)，就將無(wú)法看到這個(gè)點(diǎn)光源，轉(zhuǎn)而看到的是太陽(yáng)上的一個(gè)小黑點(diǎn)。

圖4 日食原理示意圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

顯然，在太陽(yáng)的最上方到最下方無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)光源中，隨著點(diǎn)光源位置的變化，各個(gè)點(diǎn)光源在地球上對(duì)應(yīng)的陰影范圍也會(huì)變化。這些陰影中，存在一個(gè)特殊的交匯區(qū)域，即所有點(diǎn)光源陰影的重疊部分，那也就意味著在這個(gè)區(qū)域內(nèi)是無(wú)法看到任何點(diǎn)光源的，我們稱之為“本影”。地球上處于本影區(qū)域內(nèi)的人們將無(wú)法看到太陽(yáng)的任何部分，他們看到的就是日全食。

而對(duì)某些區(qū)域來(lái)說(shuō)，可能會(huì)出現(xiàn)另一種情況，它位于太陽(yáng)上方點(diǎn)光源的陰影之內(nèi)，但它同時(shí)又在下方點(diǎn)光源的陰影之外，這也就意味著在這些區(qū)域之內(nèi)看不到太陽(yáng)的上半部分，但是能看到太陽(yáng)的下半部分。對(duì)于這些只能看到部分太陽(yáng)的區(qū)域，我們稱之為半影，半影內(nèi)看到的就是日偏食。

圖5 2024年4月8日拍攝于美國(guó)印第安納州的日偏食（階段）照片（圖片源自NASA）

日環(huán)食則是一種更為特殊的日食，它與日全食相比還需要額外的條件。月球與太陽(yáng)的直徑比約為1:400，地月距離與日地距離的比值恰好也接近這個(gè)值。這也就意味著從地球上看，太陽(yáng)和月球的視覺(jué)大小是相當(dāng)?shù)摹６鶕?jù)開普勒第一定律，天體的公轉(zhuǎn)軌道其實(shí)是一個(gè)橢圓。也就是說(shuō)，月球與地球的距離會(huì)時(shí)遠(yuǎn)時(shí)近。當(dāng)月球離地球較遠(yuǎn)時(shí)，根據(jù)近大遠(yuǎn)小的原理，我們看到的月球就會(huì)變小。將上述情況應(yīng)用到日食，如果“變小”的月球不足以遮擋住整個(gè)太陽(yáng)，太陽(yáng)的邊緣就會(huì)像一個(gè)金色的光環(huán)一樣顯露出來(lái)，也就形成了我們所說(shuō)的日環(huán)食。

2010.1.15 在山東大學(xué)威海天文臺(tái)拍攝的日環(huán)食“金環(huán)日落”

3、日食現(xiàn)象的科學(xué)價(jià)值

日食不僅是一種難得一見的天文景觀，給人們帶來(lái)視覺(jué)上的震撼與享受，還蘊(yùn)藏著豐富的科學(xué)價(jià)值。

早在1919年，英國(guó)科學(xué)家亞瑟·愛(ài)丁頓領(lǐng)導(dǎo)了一次日全食的觀測(cè)，并通過(guò)這次日全食的觀測(cè)成功證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的正確性。

除了證實(shí)科學(xué)理論，日食還為太陽(yáng)大氣的觀測(cè)提供了絕佳的機(jī)會(huì)。太陽(yáng)大氣由內(nèi)而外分別是光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰?。光球?qū)泳褪峭ǔＫf(shuō)的太陽(yáng)表面，明亮且活躍。日冕是太陽(yáng)大氣的最外層，亮度約為光球亮度的百萬(wàn)分之一，所以在平常的觀測(cè)中無(wú)法我們直接觀測(cè)到日冕。而當(dāng)日全食發(fā)生時(shí)，月球完全遮住了光球?qū)樱沟梦覀冇袡C(jī)會(huì)觀測(cè)到平常難以窺見的太陽(yáng)結(jié)構(gòu)，例如日珥、日冕等。同時(shí)我們也能借此機(jī)會(huì)研究太陽(yáng)活動(dòng)的磁場(chǎng)、能量釋放和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)等，進(jìn)一步了解太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制。圖6展示了專業(yè)望遠(yuǎn)鏡在日全食期間拍攝到的太陽(yáng)大氣圖像，圖中可以清晰地看到冕流和日珥等結(jié)構(gòu)。

圖6 2016年3月9日拍攝于印度尼西亞的日全食照片（圖片來(lái)源Miloslav Druckmu ?ller, http://www.zam.fme.vutbr.cz/~druck/eclipse/Index.htm）

日食現(xiàn)象還啟發(fā)了一項(xiàng)重要的科學(xué)發(fā)明——日冕儀。日冕儀是一種專門用于觀測(cè)太陽(yáng)日冕的天文儀器。在20世紀(jì)30年代，法國(guó)天文學(xué)家伯納德·萊奧特深受日食現(xiàn)象的啟發(fā)，他模仿日食期間月球遮擋光球的原理，設(shè)計(jì)出了能夠遮擋太陽(yáng)光球的觀測(cè)儀器。這一創(chuàng)新使得科學(xué)家們能夠在非日食時(shí)段也能夠觀測(cè)到日冕，極大地拓寬了太陽(yáng)觀測(cè)研究的時(shí)間和空間范圍。

日冕儀的發(fā)明極大地促進(jìn)了太陽(yáng)物理學(xué)的發(fā)展。這種精密的儀器使我們能夠深入觀測(cè)低日冕，為解開日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)起源等核心科學(xué)問(wèn)題提供了寶貴的線索。低日冕不僅是日冕物質(zhì)拋射的發(fā)生和加速區(qū)域，更是空間天氣學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。通過(guò)對(duì)其開展持續(xù)、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，我們能夠?yàn)榭臻g天氣預(yù)測(cè)和防范提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，保障衛(wèi)星運(yùn)行安全，減少太空探索的風(fēng)險(xiǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷突破，日冕儀也在不斷創(chuàng)新完善。

令人振奮的是，2023年山東大學(xué)空間科學(xué)研究院太陽(yáng)大氣物理與探測(cè)課題組成功牽頭研制和建設(shè)了我國(guó)首臺(tái)自研光譜成像日冕儀。這臺(tái)儀器的建成標(biāo)志著我國(guó)在日冕觀測(cè)領(lǐng)域邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的工藝測(cè)試，它成功獲得了首批日冕觀測(cè)圖像，數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到了國(guó)際一流水平。這一成就不僅彰顯了我國(guó)科研實(shí)力的提升，更為我們深入探索太陽(yáng)奧秘、推動(dòng)太陽(yáng)物理學(xué)和空間天氣學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖7 光譜成像日冕儀的觀測(cè)圖像（山東大學(xué)空間科學(xué)研究院）

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)前面的分析我們了解到，日食的出現(xiàn)需要同時(shí)滿足許多條件，而且只有在某些特定的區(qū)域才能觀測(cè)到日食。遺憾的是，本次日食在我國(guó)境內(nèi)沒(méi)有可觀測(cè)區(qū)域。但好在現(xiàn)代擁有發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)社交媒體，我們?nèi)钥梢酝ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)媒體一睹日食風(fēng)采！

此外，也讓我們共同追逐將于2026年（西班牙）、2027年（埃及）及2028年（澳洲）暑期發(fā)生，并翹首期待將在2034年與2035年出現(xiàn)在我國(guó)的多場(chǎng)精彩日全食奇觀吧！

未來(lái)幾年的暑期日全食及觀測(cè)地情況圖（圖及數(shù)據(jù)源自timeanddate，逺才老師編輯制作）

• 作者：黎俊，山東大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院、2023級(jí)地球物理專業(yè)碩士研究生
• 科普輪值主編：鄭瑞生（山東大學(xué)空間科學(xué)研究院教授，山東天文學(xué)會(huì)太空科學(xué)與探測(cè)專業(yè)委員會(huì)委員）
• 編輯：山東大學(xué)空間科學(xué)研究院科普?qǐng)F(tuán)組